Emne: IRE36213/Energiteknikk og bygningsinstallasjoner Lærer/telefon: Ole Kristian Førrisdah1/ og Bjørn Halvor Sture/

Transkript

1 EKSAMENSOPPGAVE Emne: IRE36213/Energiteknikk og bygningsinstallasjoner Lærer/telefon: Ole Kristian Førrisdah1/ og Bjørn Halvor Sture/ Grupper: E3E, E3E-y Dato: Tid: Antall oppgavesider: 7 Antall vedleggsider: 12 Sensurfrist til studentene: Hjelpemidler: Kalkulator. forskrifter for elektriske lavspenningsinstallasjoner (FEL), NEK 400:2010, - Formelsamling i Energiteknikk inkludert appendix i Cengel and Turner- utleveres på eksamen, 1 personlig A4 ark (to/begge sider) som utleveres på eksamen. KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET ER FULLSTENDIG Dersom du savner opplysninger som er nødvendige for at du skal kunne løse oppgavene, bruker du symboler eller rimelige verdier med begrunnelse. Oppgi alle svar i SI enheter hvis annet ikke er spesifisert.

2 Hogskolen i Østfold Avdeling for ingeniorfag Oppgave 1. (30 %) Bygg Consult AS har gjennom vernerunder avdekket en del forhold på bygget som ledelsen nå ønsker å gjennomføre forbedringstiltak på. I kontorene har de ansatte problemer med temperaturen inne både sommer og vinter, og det er inngått avtale med firmaet Energien AS om levering av en varmepumpe som skal løse disse problemene. Varmepumpen Toshiba Digital inverter 803 består av en innedel og en utedel. Utedelen monteres på ytterveggen under terrassen. Varmepumpemontøren fra Energien AS utfører koplingen mellom ute - og innedelen. østneset Elektro AS skal levere og kople til tilførselskabelen fra en TN-S underfordeling (+Vc) til utedelen via et uttak. Dimensjonerende belastningsstrøm er 16 A og cos = 0,9. Merkespenningen (Un) til varmepumpen er 230 V og enfas. Avstanden (kabellengden) fra fordelingsskapet til utedelen er 25 m. Som overstrømsvern for denne kursen skal det benyttes en automatsikring med C-karakteristikk og med Icn= 10 ka. Det skal legges kabel i rør i termisk isolert vegg og åpent på trevegg frem til uttaket for utedelen. Maksimalt spenningsfall for denne kursen settes til 3 %. Omgivelsestemperatur for denne kursen settes til maksimalt 35 C på vegg og maksimalt 30 C i rør i termisk isolert vegg. På vegg vil kabelen bli klamret sammen med 2 andre strømførende Resistiviteten for kobber er: 1 S2nun kabler. I underfordelingen (+Vc) har vi oppgitt følgende verdier: ik3pmaks = 3,8 ka og cos = 0,85 lklmin(pen) = 1,0 ka og cos p = 0,95 lklpmax(pen) = 2,1 ka og cos = 0,93 Ik2prnin= 2,9 ka og cos (I)= 0,9 (25 %) Dimensjoner og dokumenter tilførselen til varmepumpen ved bruk av minste tillatte kabeltversnitt i henhold til NEK 400:2010. (5 %) Sett opp noen punkter som er viktige å få verifisert ved sluttkontroll av ovennevnte arbeide. 2

3 flogskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag Oppgave 2. (20 %) Et rom i et eldre bygg som er restaurert skal oppvarmes med elektriske varmeovner. Rommets dimensjoner er: Lengde 15 m. Bredde 6 m. Høyde 2,5 m. Rommets ene langvegg er en yttervegg, mens øvrige vegger, gulv og tak grenser mot rom som har tilnærmet samme temperatur som det aktuelle rommet. Ytterveggen er bygget opp som vist på figur 2. 2 em Tre 15 cm Steinull 2 cm Tre Figur 2 Skisse av yttervegg Dimensjonerende utetemperatur på stedet er -15 C. ønsket innetemperatur på dagtid er satt til 20 C. Det er installert et ventilasjonsanlegg som gir 1,5 luftskift pr. time. Anlegget har varmegjenvinner med virkningsgrad lik 0,7. I tillegg kan det regnes med et infiltrasjonstap som gir 0,1 luftskift pr. time. Det tas ikke hensyn til andre interne varmetilskudd. Varmekapasitet for luft: 0,35 Wh/(m3K). Varmeledningsevne for tre: 0,12 W/(mK). Varmeledningsevne for steinull: 0,04 W/(mK). (6 %) Forklar hva som menes med transmisjonstap, ventilasjonstap og infiltrasjonstap. (14 %) Bestem rommets effektbehov, når du ser bort fra stråling. 3

4 Høgskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag Oppgave 3. (12 %) I faget er det høsten 2013 gitt to (2) tekniske rapporter, skrives en kort rapport i henhold til utlevert oppgavetekst: hvor det skulle Teknisk rapport nr. 1 Solenergi og fornybar energi Teknisk rapport nr. 2 Kjerneenergi, batterier, hydrogen og motorer, varmekraftprosesser, kjøleanlegg, varmepumper og varmeoverføring Antall like besvarelser som godkjennes av hver teknisk rapport er gitt i oppgaveteksten til hver av de tekniske rapportene. Rapportene må leveres i Fronter innen kl (6 %) Teknisk rapport nr. 1 levert i Fronter blir evaluert. (6 %) Teknisk rapport nr. 2 levert i Fronter blir evaluert ø

5 Hogskolen i Østfold Avdeling for ingeniorfag Oppgave 4. (11 %) p 1, T1, )(1, v1, z, 1> :,/ Innløp: damphastighet v1 = 50 m/s stedshøyde z1 = 9 m trykk pi = 3.0 MPa temperatur T1= 763 K dampkvalitet X1 = Vanndamp Utløp: damphastighet v2= 110 m/s stedshøyde z2= 4 m trykk p2= 0.1 MPa temperatur 4vp2, T2, X2, 1/2, Z2 T2 =? dampkvalitet X2 =? tilføres en turbin ved 30 bar og 763 K. Trykket ut av turbinen er 1 bar. Turbinen opererer adiabatisk og stasjonært (steady-state). Kjente tilstander ved innløp og utløp er gitt på figuren over. Forandringer i den kinetiske og potensielle energien kan i denne oppgaven neglisjeres. a) (2 %) Bruk en damptabell eller Mollier-diagrammet (vedlegg 7) for å finne spesifikk entalpi og antall grader overheting av dampen ved innløpet til turbinen. b) (3 %) Estimer det spesifikke arbeidet turbinen opererer isentropisk. kan utføre hvis turbinen c) (2 %) lik Den isentropiske virkningsgraden er på 85 %. Beregn det spesifikke d) (2 % ) e) (2 %) arbeidet turbinen kan utføre med denne virkningsgraden og finn temperaturen ut av turbinen. Hva er dampkvaliteten ved utløpet av turbin for den isentropiske prosessen? for den virkelige prosessen? Turbinen er koblet sammen med en generator som produserer elektrisitet. Generatoren har en virkningsgrad på 97 %. Hvor mye damp trenger turbinen per sekund hvis generatoren skal yte en effekt på 17.5 MW?

6 Høgskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag Oppgave 5. (17 %) Du har fått i oppdrag å prosjektere et kjøleanlegg som skal yte 100 kw. Kuldemediet skal være R-134a. Alle trykktap i kjøleanlegget kan i første omgang neglisjeres. Fordampertemperaturen skal ligge på 20 C og kondensasjonstemperaturen på 20 C. Kondensatoren avkjøles med vann som ved innløpet holder en temperatur på 10 C. Kuldemediet kondenserer til mettet væske i kondensatoren. Kompressoren suger in lavtrykksdamp som er 10 C overhetet. Den isentropiske virkningsgraden på kompressoren er gitt i figuren under der trykkforhold =,n kondensator/pfordamper Isentropisk 68 verknads- 66 grad % Trykkforhold (2 %) Beregn den reversible Carnot kjølefaktoren (COPR,rev) for systemet. (2 %) Finn trykkforholdet og den isentropiske virkningsgraden til kompressoren. (3 %) Tegn in prosessen i et ph-diagram (vedlegg 8). (2 %) Beregn den spesifikke entalpidifferansen i fordamper. (2 %) Vis at massestrømmen til kuldemediet er omtrent 0.6 kg/s. (2 %) Vis effektforbruket til kompressoren er omtrent 27 kw. (2 %) Beregn effektfaktoren (COPR)til kjøleanlegget. (2 %) Beregn effekttapet i kondensatoren. 6

7 Flogskolen i Østfold Avdeling for ingeniorfag Oppgave 6. (10 %) Et solvarmeanlegg er 1.0 m brett og 5.0 m langt. Det er en konstant avstand på 3.0 cm mellom glasset og den absorberende flaten (collector plate). Luften som strømmer imellom absorberende glasset og den flaten i solfangeren har en ( gjennomsnittlig Insulation temperatur på 47 C. Lufthastigheten er gjennomsnittlig 0.15 m3/s. Du kan neglisjere friksjonstap figuren. \ 5 m Glass cover Collector på grunn av ruhet, innløp, utløp og bendet som er vist på _ Air 0.15 m3/s plate (3 %) Vis at strømningshastigheten i røret er omtrent 5 m/s. (3 %) Beregn Reynoldstallet til luftstrømmen for å avgjøre om luftstrømmen er laminær eller turbulent. (4 %) Friksjonstapet ved strømning i et rett rør kan beregnes ved Fannings ligning h f L f D 2g, derf er en friksjonsfaktor. Bruk vedlegg 9 til å estimere friksjonsfaktoren, f, for vårt rørsystem. 7

8 Høgskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag VEDLEGG 8

9 Hogskolen i Østfold Avdeling for ingeniorfag Ved legg 1 Bestemmelse av impedanser Spenningsfaktoren"c" Spenningsfaktoren "c " er en faktor som skal kompensere for lastpåvirkning, overgangsmotstand, spenningsfall og er forskjellig for beregning av henholdsvis maksimum og minimum kortslutningsstrøm og for ulike systemspenninger. Faktoren er gitt i henhold til IEC909 Nominell spenning (kv) Maksimal strøm Minimal strøm 0,1-5 0,4 1,0 0,95 > 0, ,05 1,0 > ,10 1,0 > ,10 1,0 Bestemmelse av ledermaterialets resistivitet Materiale p (Omm2/m) a (K-1) Aluminium 99,5% 0,0278 0,004 Kobber, glødet 0,0175 0,004 Kobber, hard 0,0178 0,0039 Bly 0,21 0,0038 Stål, magnetisert 0,21 0,25 0,004 Stål, umagnetisert 0,74 Materialkonstanter for aktuelle ledermaterialer ved 20 C 9

10 Høgskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag Ved legg 2 Temperaturkompensering Litt forenklet kan vi trekke følgende konklusjon for ledertemperaturer ved beregning av minste kortslutningsstrøm (se tabell under) Hovedkurser Alle typer vern PVC- isolasjon70 C Forbrukerkurser SmeltesikringerAutomatsikringer og effektbrytere PVC-115 C PVC- isolasjon 70 C isolasjon EPR/PEX-90 C isolasjon EPR/PEX-160 C isolasjonisolasjon EPR/PEX-90 C Temperaturkorreksjonsfaktor for resistanser (kr2) ku kt2 t2 0C (1+aåt) t2 C (1+aåt) 25 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,60 10

11 Høgskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag Kabeldata Fase/PE (mm 2) r- fase Cu-kabel med sk'erm Xfase rpe XPE (ms//m) (ml1/m) (ma/m) (mil/m) 1,5/1,5 12,10 0,106 12,10 0,150 2,5/2,5 7,41 0,103 7,41 0,140 4/4 4,61 0,100 4,61 0,130 6/6 3,08 0,094 3,08 0,130 10/10 1,83 0,091 1,83 0,120 16/16 1,15 0,085 1,15 1,105 25/16 0,727 0,081 1,15 0,100 35/16 0,524 0,079 1,15 0,099 50/25 0,387 0,079 0,727 0,098 70/35 0,268 0,075 0,524 0,098 95/50 0,193 0,075 0,387 0, /70 0,153 0,072 0,268 0, /70 0,124 0,069 0,268 0, /95 0,099 0,069 0,193 0, /120 0,075 0,069 0,153 0,097 Cu-kabel uten skjerm 3 leder (2 leder + Pe leder) Fase/PE rfase Xfase rpe XPE (ma/m) (ms1/m) (mn/m) (mn/m) 1,5/1,5 12,10 0,106 12,10 0,106 2,5/2,5 7,41 0,105 7,41 0,103 4/4 4,61 0,100 4,61 0,100 6/6 3,08 0,094 3,08 0,094 10/10 1,83 0,091 1,83 0,091 16/16 1,15 0,085 1,15 0,085 Cu-kabel uten sk'erm 4 leder (3 leder + Pe leder) 1,5/1,5 12,10 0,135 12,10 0,12 2,5/2,5 7,41 0,132 7,41 0,12 4/4 4,61 0,129 4,61 0,11 6/6 3,08 0,123 3,08 0,109 10/10 1,83 0,120 1,83 0,106 16/16 1,15 0,110 1,15 0,100 25/25 0,73 0,108 0,73 0,090 35/35 0,52 0,100 0,52 0,080 50/50 0,39 0,097 0,39 0,080 Al-kabel med sk'erm Fase/PE (mm 2) rfase XfaserPE Xpi. (mfi/m) (Infl/m) (mwm) i(mwm) 16/10 1,910 0,085 1,83 0,105 25/10 1,200 0,082 1,83 0,100 50/16 0,641 0,079 1,15 0,098 95/35 0,320 0,075 0,524 0, /50 0,206 0,072 0,387 0, /70 0,125 0,072 0,268 0,097 Al-kabel uten skjerm 25/25 1,200 0,084 1,200 0,084 50/50 0,641 0,081 0,641 0,081 95/95 0,320 0,078 0,320 0,078 Vedlegg 3 11

12 Hogskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag Vedlegg 4 Verndata for automatsikringer Vern Merkestrøm (in) Termisk utløsning MinsteStørste prøvestrømprøvestrøm (12) Elektromagnetisk utløsning HolderLøserut strømstotmomentant (14)(15) Utløsekarakteristikk Produktnorm A-automat 6-63 A 1,13 x /n 1,45 x 2 x 1,3 x NEK EN B-automat 6-63 A 1,13 Xin 1,45 x lr 3xI5 x ln NEK EN C-automat 0,5-63A 1,13 x 1,45 x 5 x 10 x NEK EN D-automat 0,5-63 A 1,13 X In 1,45 I, 10 X /,, 20 x NEK EN K-automat 0,5-63A 1,05 x 1n 1,2in 8 X /fi 12 X NEK EN Z-automat 0,5-63 A 1,05 X in 1,2 X 2 X 1 3 X In NEK EN Effektbryter s 63 A > 63 A 1,35 X I 1,25 X I, NEK EN Motorvernbryter 1,2 X I. NEK EN 6094 Termisk rele 1,05 X in 1,2 x NEK EN Patronsikring s 10 A A > 25 A 1,5 x 1,4 x 1,3 X I 1,9 x Ir 1,75 X In 1.6 X /, NH-sikring (høyeffektsikring) 1,6 x NEK EN

13 Hogskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag Ved legg 5 Strøm tid kurve for elementautomater med B og C - karakteristikk Utlaserkarakteristikketter EN61DG9 Festgelegter Nichtausl6s.estrom Int= 1,13 t 1h Fe.stgelegter Auslös.Gstrom 1,=1,451:t.z1h (- 3-) 2,55 In t s(i 32 A) (5),7J t = s (I., > 32 A) Type B: 3 In : t > 0,1 s 5I t < 0,1 s Type C: 5 In > 0,1 5 < 0,1 5 (1) (1, , , B C

14 Hogskolen i Østfold Avdeling for ingeniorfag Vedlegg 6 Gjennomsluppet energi for elementautomater med C karakteristikk (j\iso. C, sec] [A2 12t energi GB c GB 7000 C jennomsluppet o o o o o o o o o o o o o in o ir) o o o o o 0 o o o 0,, N t") 'st (t) cel rs.. co tn 0 in forventet kortslutningsstrøm [A] 14

15 Kandidat nummer: Vedlegg 7-1,7. ^,,,b ' ' "1] CO n E' 41' I 124TERATURE los ao ' , _ Entropy, ki/kg, K (a) Figure 2.4.1a Enthalpy entropy or Mollier diagram for steam. (Source: ASME Steam Tables in SI (Metric) Units for Instructional Use, American Society of Mechanical Engineers, New York, Used with permission.)

16 Kandidat nummer: Vedlegg 4: "1./py UO <4, , I.4? i,!.'., 410 s 50 1, :=Q s 3200 ' b i-s _ F.415 ENA r 1NO , ? <s>t, # I , ' Entropy. ki-/kg K Figure 2.4.1a Enthalpy entropy or Mollier diagrarn for steam. (Source: ASME Steam Tables in SI (Metric) Units for Instructional Use, American Society of Mechanical Engineers, New York, Used with permission.) (a)

17 ( b ), o cu n 1( () 21) 4 90, 4 7,0 (4) ' nummer: Kandidat Enthalpy, kj/kg Note: The reference point used for the chart is different than that used in the R-134a tables. Therefore, problems should be solved using all property data either from the tables or from the chart, but not from both. FIGURE A-14 P - h diagram for refrigerant-134a. (Reprinted by permission of American Society of Heating. Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Ine., Atlanta, GA.)

18 nummer: 0.04 Kandidat..L!, Enthalpy,kJ/kg. _,...it'z_.,i., _,- ' `-'. Note: The reference point used for the chart is different than that used in the R-134a tables. Therefore, problems should be solved using all property data either from the tables or from the chart, but not from both. F1GURE A r 1-2 _ ,, P-h diagram for refrigcrant - 134a. (Reprinted by permission of American Society of Heating. Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers. Inc., Atlanta, GA.) ' 4 ',-;' ',. h , i

19 ci) The Moody chart for the friction factor for fully developed flow in circular tuhes. FIGURE A-27 Reynolds number Re Material ft Glass, plastk 0 Conerete Wood suive Rubber,smoothed Copperor brass tubing Cast iron Galvaniud iron Wroughtiron Stainkss steel Commereialsteel Roug iness,e min 0, t- Srnooth pipes'. ID= (103) (104) (105) (10() I I e/d = I (107) Larninar Critical Transition flow zone zone, >7 25 ' I Co nplete turbulence, rough pipes Relative roughness eld